CN113692073A - 一种无变压器式电热控制电路、控制方法及管式炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无变压器式电热控制电路、控制方法和管式炉，此电路包括第一双向晶闸管和第二双向晶闸管，所述第一双向晶闸管的一个主电极与三相电源中的一相相连，另一个主电极与电热体的一端相连，所述第一双向晶闸并联有第一阻容吸收单元；所述第二双向晶闸管的一个主电极与三相电源中的另一相相连，另一个主电极与电热体的另一端相连，所述第二双向晶闸并联有第二阻容吸收单元；所述第一双向晶闸管的控制端G1和第二双向晶闸管的控制端G2为两个同步输入控制端。本发明具有结构简单、成本低、加热快速且可控等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及机电设备加热技术领域，具体涉及一种无变压器式电热控制电路、控制方法和管式炉。
背景技术
目前工业炉窑等机电设备在实际应用时，通过变压器调压以实现热量控制。而采用变压器进行调压的方案存在以下问题：1、一旦变压器发生故障，马上会停机；2、电压不稳时，对应各温区的电路极易损坏；3、单个晶闸管加热慢，易被击穿；4、设备占用的空间大；5、变压器的成本高。而如果不采用变压器进行调压，热控效果不佳，其本质原因是电压输入相同的情况下，电路中流入电热体的电流难以控制平衡，导致热量不均。另外，在无变压器条件下，只有单个晶闸管，电热体中各处的电流难以控制，而且晶闸管易被击穿。另外现有技术采用单根电热丝，长度受限制、不利于维修。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单、成本低、加热快速且可控的无变压器式电热控制电路、控制方法和管式炉。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种无变压器式电热控制电路，其特征在于，包括第一双向晶闸管和第二双向晶闸管，所述第一双向晶闸管的一个主电极与三相电源中的一相相连，另一个主电极与电热体的一端相连，所述第一双向晶闸并联有第一阻容吸收单元；所述第二双向晶闸管的一个主电极与三相电源中的另一相相连，另一个主电极与电热体的另一端相连，所述第二双向晶闸并联有第二阻容吸收单元；所述第一双向晶闸管的控制端G1和第二双向晶闸管的控制端G2为两个同步输入控制端。
作为上述技术方案的进一步细化：
所述第一阻容吸收单元和第二阻容吸收单元均包括相互串联的电阻和电容。
所述电热体所在的回路中设有电流采集单元。
所述电流采集单元为电流互感器。
本发明还公开了一种基于如上所述的无变压器式电热控制电路的控制方法，包括步骤：
将触发电压同步加至第一双向晶闸管的控制端G1和第二双向晶闸管的控制端G2，控制第一双向晶闸管和第二双向晶闸管导通；
控制所述第一双向晶闸管和第二双向晶闸管的导通角来调整经过电热体中的电流大小。
本发明进一步公开了基于此技术的一种管式炉，包括多个温区，各所述温区均对应包括如上所述的管式炉电热控制电路。
作为上述技术方案的进一步改进：
前三个温区对应的电热控制电路分别连接三相电源中的UV相、VW相和WU相；后续温区对应的电热控制电路则与前三个温区中对应的电热控制电路相互并联。
所述电热体包括多个电阻。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过两个双向晶闸管双向同时触发，加热更加快速(具体分析见后续说明)；电热体能将电能转换为热能，从控制原理出发，可看成一个纯电阻线路，根据焦耳定律Q＝I2Rt进行设计，必要因数电流I由触发电压的导通角来决定，通过手动设定和软件控制的方式均可实现调流，从而实现电热控制；上述控制符合基尔霍夫第一定律的原理，能够实现电流大小可控；上述电路无需要使用变压器，成本低，结构上也节省了空间。
附图说明
图1为本发明的控制电路在实施例的电路原理图。
图2为本发明的炉体内部各温区对应的电源接线图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的管式炉电热控制电路，包括第一双向晶闸管V1和第二双向晶闸管V2，第一双向晶闸管V1的一个主电极与三相电源中的U相相连，另一个主电极与电热体的一端相连，第一双向晶闸管V1并联有第一阻容吸收单元；第二双向晶闸管的一个主电极与三相电源中的V相相连，另一个主电极与电热体的另一端相连，第二双向晶闸管V1并联有第二阻容吸收单元；第一双向晶闸管的控制端G1和第二双向晶闸管的控制端G2为两个同步输入控制端，接同一调节装置的两个同步输出控制端，两个同步输出控制端得到的电压为触发电压，触发时刻以及电压值均完全一致。本发明通过两个双向晶闸管双向同时触发，加热更加快速(具体分析见后续说明)；电热体能将电能转换为热能，从控制原理出发，可看成一个纯电阻线路，根据焦耳定律Q＝I2Rt进行设计，必要因数电流I由触发电压的导通角来决定，通过手动设定和软件控制的方式均可实现调流，从而实现电热控制；上述控制符合基尔霍夫第一定律的原理，能够实现电流大小可控；上述电路无需要使用变压器，成本低，结构上也节省了空间。
在一具体实施例中，第一阻容吸收单元包括相互串联的电阻R1和电容C1，第二阻容吸收单元包括相互串联的电阻R2和电容C2。其中电阻R1与R2阻值相同，电容C1和C2的容值相同。其中各阻容吸收电路主要起到过电压保护的效果，用来抑制换向等操作在瞬间产生的电压震荡和冲击电流，使其迅速衰减，将这些不利于双向晶闸管的电能吸收，以热能的形式快速消耗，避免对双向晶闸管造成损坏。
在一具体实施例中，电热体所在的回路中设有电流采集单元，具体为电流互感器Z1，电流互感器与上位机连接。电流互感器起检测电流的作用，在进行加热时，经过通讯，上位机能够实时监测流入电热体的电流大小；同时上位机也与调节装置相连接，以发送指令的形式进行控制，实现可通讯设置。当检测到电流过大时，能自动给出指令到调节装置(即控制触发电压的导通角)，对线路限流。
本发明还公开了一种基于如上所述基于管式炉的无变压器式电热控制电路的控制方法，包括步骤：
将触发电压同步加至第一双向晶闸管的控制端G1和第二双向晶闸管的主电极控制端G2，控制第一双向晶闸管和第二双向晶闸管导通；
通过控制第一双向晶闸管和第二双向晶闸管的导通角来调整经过电热体中的电流大小。
具体地，可以通过手动控制的旋钮来进行手动调流，即手动工作模式，也可以通过软件检测反馈，经通讯实现无人看守下的自动运行，即软件自控模式。
本发明还公开了一种管式炉，包括多个温区，各温区均对应包括如上所述的无变压器式电热控制电路。本发明的管式炉，包括如上所述的电热控制电路，同样具有如上电热控制电路所述的优点。当然，上述无变压器式电热控制电路也可应用于其它炉体设备中。
在一具体实施例中，前三个温区对应的电热控制电路分别连接三相电源中的UV相、VW相和WU相；后续温区对应的电热控制电路则与前三个温区中对应的电热控制电路相互并联。
在一具体实施例中，电热体上有多个电阻，图1中用电阻R进行替代，两端分别为接线柱1和接线柱2。
下面结合一完整的具体实施例对上述发明做进一步的详细说明：
两个双向晶闸管可以等效为两个单向晶闸管反向并联，能够控制双向导通。由此，除控制极G外，双向晶闸管的另外两个电极A和K不再分阳极和阴极，均为主电极，可分别称为主电极A和主电极K。根据晶闸管的伏安特性，当晶闸管的A极与K极间加入正向电压时，在控制极G开路的情况下，开始时晶闸管中有很小的正向漏电流流过，阳极与阴极间表现出很大的电阻，处于正向阻断状态(简称断态)。将触发电压加至控制极G时，A极电压开始上升，直到满足正向转折电压的最低值时，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态(简称通态)。触发电压消失后，晶闸管仍然维持导通，此时电流即可从A流向K，也可从K流向A，会发生换向，直到电流小于维持电流时，晶闸管才会关断。综上所述，将晶闸管的状态分为断态、通态、维持导通三种情况。
导线经接线柱进入电热体。电路有供电时，根据晶闸管不同的工作状态，接线柱1和2之前的情况也不相同。
1、晶闸管为断态时，控制极上无正向电压，即触发电压Ug为零或负时，接线柱1和2间的电热丝未通电，不会发热。
2、晶闸管为通态，控制极上有正向电压，即触发电压Ug大于零时，接线柱1和2间的电热丝通电，散发热量，提供热能。
从电磁学的角度，此时从接线柱1流向接线柱2的电流为I：
I＝∮CJ˙d2r
其中C为所包围两接线柱间电热体体积内的曲面，J是电流密度，d2r为与曲面垂直、朝外指出的微小面矢量元素。
通过能量守恒定律，一个封闭系统的总能量保持不变，即对于系统的总能量E，推导出E＝ΔU+ΔQ，其中为ΔU电能，ΔQ为热能。从单向分析，处于接线柱1时，只有电能存在，ΔQ＝0，即此时E＝ΔU，之后电能不断地转化为热能，即ΔU一直在减小，而ΔQ持续增加。电热转换需要消耗电流，电流I的值便随之减小。因为电势差，电流由高电势流向低电势，所以发生电热反应的顺序为接线柱1至接线柱2。
由于同时触发，输入的电流相同，即接线柱1处的电流I1与接线柱2处的电流I2的关系为I1＝I2，两接线柱间只有一个电路，故接线柱1处输出的电流I21和接线柱2处输出的电流I12间的关系为I21＝I12，此时ΔI1和ΔI2的关系为ΔI1＝I1-I21＝I2-I12＝ΔI2，即ΔI1＝ΔI2。上述关系中，经过的时间t完全相同，而电荷量q＝It，为电流和时间的乘积，因此两点的电荷量也会相等。
由此参考基尔霍夫电流定律，可以把两接线柱之间等效为一个节点。假设存在一个绝对中点，那么与之距离相互对称且电路构造完全相同的两个点的电流和电荷量也会相等，而两点间又可以看成一个节点。因此电路中这样的对称组和等效节点会有无数个。通过调节触发电压的导通角就能够控制电热体中各点电流的大小。
由于电热反应是由两侧向中点进行，相较于单向触发，速度更快。为保证系统中的热能相对平衡，依据焦耳定律，电路中的电流和时间已经相对确定，只需要通过计算确定电路中各电阻的阻值，再进行排布。当出现波动时，由热学第二定律可知，熵为系统无序的度量，热能会从热处转到冷处，系统中的热量分布能快速地达到平衡。
3、晶闸管为维持导通状态，剩余电流的方向杂乱无章，如果从接线柱流向晶闸管时，阻容吸收电路将会发挥作用，把此电流快速地消耗，对电路进行保护。
综上所述，电路在工作状态下能够做到电流可控和热量相对平衡地分布。
仿真模拟：根据原理，借助了MATLAB进行了仿真模拟，以6个温区为基础，采用等效电路相并联的方式进行设计，经过模拟，此无变压器的结构下的线路热传递速度快，热量分布均匀，可实现稳定的电热控制。
实验测试：为验证此项技术切实可行，制作了一套六温区管式炉设备(如图2)。此设备内部各温区电热丝长度相同，电气元件和绝缘材料的型号规格完全一致。
设备全功率输出时，监控记录和实测的电流见下表1。
| 温区1 | 温区2 | 温区3 | 温区4 | 温区5 | 温区6 | |
| 电流(A) | 50.3 | 50.3 | 50.2 | 50.4 | 50.3 | 50.5 |
接下来通过调整电流大小的方式，连续三天进行观察，升温过程中，大电流时升温快，小电流时升温慢，符合客观规律。经可通讯设置均能实现保温和限流等功能。通过测试证明，此无变压器的电热控制技术是成功的。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种无变压器式电热控制电路，其特征在于，包括第一双向晶闸管和第二双向晶闸管，所述第一双向晶闸管的一个主电极与三相电源中的一相相连，另一个主电极与电热体的一端相连，所述第一双向晶闸并联有第一阻容吸收单元；所述第二双向晶闸管的一个主电极与三相电源中的另一相相连，另一个主电极与电热体的另一端相连，所述第二双向晶闸并联有第二阻容吸收单元；所述第一双向晶闸管的控制端G1和第二双向晶闸管的控制端G2为两个同步输入控制端。
2.根据权利要求1所述的无变压器式电热控制电路，其特征在于，所述第一阻容吸收单元和第二阻容吸收单元均包括相互串联的电阻和电容。
3.根据权利要求1或2所述的无变压器式电热控制电路，其特征在于，所述电热体所在的回路中设有电流采集单元。
4.根据权利要求3所述的无变压器式电热控制电路，其特征在于，所述电流采集单元为电流互感器。
5.一种基于权利要求1～4中任意一项所述的无变压器式电热控制电路的控制方法，其特征在于，包括步骤：
将触发电压同步加至第一双向晶闸管的控制端G1和第二双向晶闸管的控制端G2，控制第一双向晶闸管和第二双向晶闸管导通；
控制所述第一双向晶闸管和第二双向晶闸管的导通角来调整经过电热体中的电流大小。
6.一种管式炉，包括多个温区，其特征在于，各所述温区均对应包括如权利要求1～4中任意一项所述的无变压器式电热控制电路。
7.根据权利要求6所述的管式炉，其特征在于，前三个温区对应的电热控制电路分别连接三相电源中的UV相、VW相和WU相；后续温区对应的电热控制电路则与前三个温区中对应的电热控制电路相互并联。
8.根据权利要求6或7所述的管式炉，其特征在于，所述电热体包括多个电阻。
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